7.4 宇宙航行 课件 -2022-2023学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册(共69张PPT)

(共69张PPT)
7.4 宇宙航行
从远古时代起人们就想象着飞向太空，奔向月球，那么怎样才能实现这一梦想呢
v0
(1)当抛出速度较小时，物体做什么运动？
(2)当物体刚好．不落回地面时，物体做什么运动？
从高山上水平抛出一个物体:
(1)平抛运动．
(2)物体绕地球表面做匀速圆周运动．
牛顿的思想实验：
300多年前，牛顿曾提出过一个著名的思想实验：从高山上水平抛出一个物体，当抛出的速度足够大时，物体将环绕地球运动，成为人造地球卫星
地球
如果没有空气阻力,当速度足够大时,物体就永远不会落到地面上,它将成为一颗绕地球运动的人造地球卫星.
一.宇宙速度
设：地球质量为m地，物体质量为m、到地心的距离为r、
物体在地面附近绕地球运动速度为v.
1.第一宇宙速度的推导
一.宇宙速度
这就是物体在地球附近绕地球做匀速圆周运动的环绕速度，叫做第一宇宙速度。
对于近地卫星，可以认为此时的 r 近似等于地球半径R
物体在地面附近绕地球做圆周运动，地球对物体的万有引力提供物体运动所需向心力。
有人说，第一宇宙速度也可以用 算出，其中g为重力加速度，R为地球半径。你认为对吗？
【例1】(多选)第一宇宙速度是物体在地球表面附近绕地球做匀速圆周运动的速度，则有(　　)
A．被发射的物体质量越大，第一宇宙速度越大
B．被发射的物体质量越小，第一宇宙速度越大
C．第一宇宙速度与被发射物体的质量无关
D．第一宇宙速度与地球的质量有关
CD
【解析】第一宇宙速度 m地为地球质量，R为地球半径，故第一宇宙速度与地球质量有关，与被发射物体的质量无关．
思考与讨论：
物体在地面附近绕地球做圆周运动，可近似认为重力提供向心力。
1.第一宇宙速度的推导
一.宇宙速度
其他星球的第一宇宙速度
(2)第一宇宙速度之值由中心星球决定。
物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的环绕速度，叫做第一宇宙速度。
人造地球卫星绕地球做匀速圆周运动所具有的最大环绕速度，
也是人造地球卫星的最小发射速度．
（1）、第一宇宙速度：(7.9km/s)
轨道越高，
绕地球运行的环绕速度越小．
2.宇宙速度
（3）、第三宇宙速度：16.7km/s 物体挣脱太阳引力，飞出太阳系的速度
（1）第一宇宙速度：(7.9km/s)
V1=7.9km/s
地球
11.2km/s>v>7.9km/s
V2=11.2km/s
V3=16.7km/s
发射速度v满足11.2km/s≤v<16.7km/s时，物体将脱离地球的引力，围绕太阳运动。
发射速度v满足16.7km/s≤v时，
物体将脱离太阳引力，永远离开太阳系。
发射速度v：7.9km/s物体围绕地球运动，轨道是椭圆。
（2）第二宇宙速度11.2km/s 物体克服地球引力，脱离地球的速度
发射速度v满足v=7.9km/s时，
物体绕地球做匀速圆周运动。
例2.如图所示，牛顿在思考万有引力定律时就曾设想，把物体从高山上以不同大小的速度v水平抛出，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次远．如果速度足够大，物体就不再落回地面，它将绕地球做圆周运动，成为人造地球卫星，则下列说法正确的是(　　)
A．落到A点的物体做的是平抛运动
B．以v<7.9 km/s的速度抛出的物体将沿B轨道运动
C．以7.9 km/sD．以11.2 km/sC
二.人造地球卫星的运动规律
人造地球卫星
所有卫星的轨道圆心都在地心上
按轨道分类:极地卫星;赤道卫星;其他卫星
2.人造卫星做匀速圆周运动的向心力由万有引力提供。
3、设地球质量为M，卫星质量为m，轨道半径 r
卫星的绕行速度v 、角速度ω 、周期T、向心加速度a为：
(3)由 得：ω＝
(4)由 得：Ｔ＝
(2)由 得： v＝
G
M
m
r2
=m
v2
r
G
M
m
r2
=mω2r
GM
4π2r3
(1)由 得：a＝
G
r2
m
M
=ma
GM
r2
G
M
m
r2
=m r
4π
T
2
2
可见：卫星运动情况(a、V 、ω 、T )是由 r 惟 一决定
记忆口诀：“高轨低速长周期”
1
2
3
4
v1>v2=v3>v4
T1ω1>ω2=ω3>ω4
人造地球卫星的运动规律
【例3】(多选)如图是地球的四颗不同的卫星，它们均做匀速圆周运动，以下说法正确的是(　　)
A.四颗卫星的轨道平面必过地心
B.近地卫星的周期可以大于24小时
C.同步卫星可以和月亮一样高
D.理论上极地卫星可以和同步卫星一样高
AD
解析：由于万有引力充当向心力，所以四颗卫星的轨道平面必过地心，故A正确；同步卫星的周期是24小时，近地卫星的周期小于24小时，故B错误；月亮的周期是27天，同步卫星周期是24小时，轨道高度不同，故C错误；理论上极地卫星可以和同步卫星一样高，故D正确．
三、近地卫星
指卫星的轨道半径近似等于地球半径，其向心力由万有引力提供。
近地卫星的周期
四、地球同步卫星
1、定义：是相对于地面静止的和地球自转具有相同周期的卫星
圆轨道在赤道平面，即在赤道的正上方；周期与地球自转周期相同，为24小时；绕行方向为自西向东。
【例4】某颗北斗导航卫星属于地球静止轨道卫星(即卫星相对于地面静止)．则此卫星的(　　)
A．线速度大于第一宇宙速度
B．周期小于同步卫星的周期
C．角速度大于月球绕地球运行的角速度
D．向心加速度大于地面的重力加速度
C
特点理解周期一定同步卫星运行周期等于地球自转的周期，即T=24h角速度一定同步卫星绕地球运行的角速度等于地球自转的角速度轨道一定线速度大小一定向心加速度大小一定高度一定2、地球同步卫星的运行特征3、同步卫星的应用：主要用于通信
3颗同步卫星可实现全球覆盖
所以也叫通信卫星
1、回顾航天史
世界上第一个想利用火箭飞行的人
14世纪
五、梦想成真（航空领域重大成就）
1957年10月，苏联发射
第一颗人造地球卫星。
1961年4月12日苏联空军少校加加林乘坐东方一号载人飞船进入太空，实现了人类进入太空的梦想。
1969年7月20日，阿波罗
11号将人类送上了月球。
1970年4月24日我国第一颗人造卫星升空
2、中国的航天成就
2003年10月15日神舟五号
杨利伟
2005年10月12日神舟六号费俊龙聂海胜
2007年10月24日嫦娥一号月球探测器发射成功
2008年9月25日神舟七号翟志刚刘伯明
景海鹏
3、展望未来
美国“凤凰”号火星探测器2007年8月4日发射，
2008年5月25日在火星着陆。
“卡西尼”号土星探测器
1997年10月15日发射升空，
2004年1日飞抵土星。
“先驱者”10号太空探测器
1972年3月2日发射升空， 1986年6月飞出太阳系
光子火箭
《星球大战》
超光速飞船“千年隼”号
1．(多选)关于人造卫星，下列说法中正确的是(　　)
A．人造卫星环绕地球运行的速度可能为5.0 km/s
B．人造卫星环绕地球运行的速度可能为7.9 km/s
C．人造卫星环绕地球运行的周期可能为80 min
D．人造卫星环绕地球运行的周期可能为200 min
2．以下关于宇宙速度的说法中正确的是(　　)
A．第一宇宙速度是人造地球卫星在圆轨道运行时的最大速度
B．第一宇宙速度是人造地球卫星在圆轨道运行时的最小速度
C．人造地球卫星在圆轨道运行时的速度可以等于第二宇宙速度
D．地球上的物体无论具有多大的速度都不可能脱离太阳的束缚
ABD
A
解析：第一宇宙速度是人造地球卫星在圆轨道上的最大运行速度，故A正确，B错．当卫星的速度大于或等于第二宇宙速度时，卫星脱离地球的吸引而进入绕太阳运行的轨道，故人造地球卫星运行时的速度一定小于第二宇宙速度，故C错．当物体的速度大于等于第三宇宙速度时，物体将脱离太阳的束缚，故D错．
6.卫星“变轨” 问题
卫星变轨问题
卫星变轨问题
V
F引
F引＜F向
F引＞F向
卫星变轨原理
M
m
A点速度—内小外大（在A点看轨迹）
在A点万有引力相同
A
·
思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其在高轨道上运行，应采取什么措施？
卫星变轨原理
v
F引
1
2
R
卫星在圆轨道运行速度V1
V2
θ＞900
减小
卫星变轨原理
v3
F引
r
A
B
使卫星进入更高轨道做圆周运动
v3
v4
·
思考：人造卫星在低轨道上运行，要想让其在高轨道上运行，应采取什么措施？
在低轨道上加速，使其沿椭圆轨道运行，当行至椭圆轨道的远点处时再次加速，即可使其沿高轨道运行。
卫星变轨原理
1、卫星在二轨道相切点
万有引力相同，加速度相同
速度—内小外大（切点看轨迹）
2、卫星在椭圆轨道运行
近地点---速度大，加速度大
远地点---速度小，加速度小
卫星变轨
1、从内（低）到外（高）要加速
2、从外（高）到内（低）要减速
①卫星向后喷火，
卫星的线速度 ，
所需向心力 ，
此时万有引力 卫星绕地球做圆周运动的 ，
卫星将做 ，
卫星变轨总结
v突然增大
也随之增大
不足以提供
向心力
离心运动
脱离原来的圆轨道，做椭圆运动。
②当卫星向前喷火，卫星的线速度突然减小，所需向心力也随之而突然减小，（万有引力不变）即万有引力大于卫星所需的向心力，因此卫星将做近心运动，同样会脱离原来的圆轨道，轨道半径变小，卫星的回收利用了这一原理．
卫星变轨总结
卫星的回收
卫星变轨
【卫星如何变轨】 　
　以发射同步卫星为例，先进入一个近地的圆轨道，然后在v2点火加速，进入椭圆形转移轨道 （该椭圆轨道的近地点在近地圆轨道上，远地点在同步轨道上），到达远地点时再次自动点火加速，进入同步轨道。
v1
v2
v3
v4
v2>v1
v4>v3
v1>v4
v2>v1>v4>v3
v1
v2
v3
v4
v2>v1
v4>v3
v1>v4
结果：v2>v1>v4>v3
v2>v3
点火加速：
在椭圆轨道上运行:
第一次变轨：
第二次变轨：
点火加速：
在圆轨道上稳定运行：
卫星变轨
【分析思路】 　
定态运行：
看公式
动态变轨：
分析供需
圆轨道与椭圆轨道的互变：
A
B
A点：
加速
→椭圆
减速
→圆
B点：
近地点
远地点
圆→
椭圆→
减速
→椭圆
加速
→圆
圆→
椭圆→
例1.2009年5月，航天飞机在完成对哈勃空间望远镜的维修任务后，在A点从圆形轨道Ⅰ进入椭圆轨道Ⅱ，B为轨道Ⅱ上的一点，如图所示，关于航天飞机的运动，下列说法中正确的有 （ ）
A.在轨道Ⅱ上经过A的速度小于经过B的速度
B.在轨道Ⅱ上经过A的速度小于在轨道Ⅰ上经过A的速度
C.在轨道Ⅱ上经过A的加速度等于在轨道Ⅰ上经过A的加速度
D.在轨道Ⅱ上经过A的加速度小于在轨道Ⅰ上经过A的加速度
ABC
例2：在太空中有两飞行器a、b，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，a在前b在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想b 尽快追上a 并完成对接，b应采取的措施是（ ）
A、沿运动方向喷气
B、先沿运动方向喷气，
后沿运动反方向喷气
C、沿运动反方向喷气
D、先沿运动反方向喷气，
后沿运动方向喷气
B
a
b
减速
V增大
减速
七、人造卫星的超重和失重1、发射和回收阶段发射加速上升超重回收减速下降超重2、沿圆轨道正常运行只受重力a = g完全失重与重力有关的现象全部消失天平弹簧秤测重力液体压强计 1、如图所示，发射同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后经点火使其沿椭圆轨道2运行；最后再次点火将其送入同步圆轨道3。轨道1、2相切于P点，2、3相切于Q点。当卫星分别在1、2、3上正常运行时，以下说法正确的是（ ）
A、在轨道3上的速率大
于1上的速率
B、在轨道3上的角速度
小于1上的角速度
C、在轨道2上经过Q点时
的速率等于在轨道3上经过Q点时的速率
D、在轨道1上经过P点时的加速度等于在轨道2上
经过P点时的加速度
Q
P
2
·
3
1
BD
卫星变轨
【例题】如图所示，宇宙飞船B在低轨道飞行，为了给更高轨道的空间站A输送物资，它可以采用喷气的方法改变速度，从而达到改变轨道的目的，以下说法正确的是( )
A、它应沿运行方向方向喷气，
　　与A对接后周期变小
B、它应沿运行速度反方向喷气，
　　与A对接后周期变大
C、它应沿运行方向方向喷气，
　　与A对接后周期变大
D、它应沿运行速度反方向喷气，与A对接后周期变小
B
卫星变轨
【练习】宇宙飞船空间站在同一轨道上运动，若飞船想与前面的空间站对接，飞船为了追上轨道空间站，可采取的办法是（　　　）　　　　　　　　
A、飞船加速直到追上空间站
B、飞船从原轨道减速至一较低轨道，再加速追上空间站完成对接
C、飞船从原轨道加速至一较高轨道，再减速追上空间站完成对接
D、无论飞船采取何种措施，均不能与空间站对接
BC
【练习】发射地球同步卫星时，先将卫星发射至近地圆轨道1，然后点火，使其沿椭圆轨道2运行，最后再次点火，将卫星送入同步轨道3.轨道1、2相切于Q点，轨道2、3相切于P点，如图所示。则当卫星分别在1、2、3轨道上正常运行时，以下说法正确的是：
A．卫星在轨道3上的速率大于在轨道1上的速率
B．卫星在轨道3上的角速度小于在轨道1上的角速度
C．卫星在轨道1上经过Q点时的加速度
大于它在轨道2上经过Q点时的加速度
D．卫星在轨道2上经过P点时的加速度
等于它在轨道3上经过P点时的加速度
BD
1
2
3
p
Q
卫星变轨
【练习】如图所示，a、b、c是在地球大气层外圆形轨道上运行的3颗人造卫星，下列说法正确的是：
A．b、c的线速度大小相等，且大于a的线速度
B．b、c的向心加速度大小相等，且大于a的向心加速度
C．c加速可追上同一轨道上的b，b减速可等到同一轨道上的c
D．a卫星由于某种原因，轨道半径缓慢减小，其线速度将变小
D
地球
a
c
b
2、如图是发射地球同步卫星的简化轨道示意图，先将卫星发射至距地面高度为h1的近地轨道Ⅰ上．在卫星经过A点时点火实施变轨，进入远地点为B的椭圆轨道Ⅱ上，最后在B点再次点火，将卫星送入同步轨道Ⅲ.已知地球表面重力加速度为g，地球自转周期为T，地球的半径为R．求：
（1）近地轨道Ⅰ上的速度大小；
（2）远地点B距地面的高度。
解：
“嫦娥奔月” 图
理性探究 发射、变轨、运行
2. 2007年10月24日“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕
地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨
道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→
地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度
为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆
轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧ ，如图所示（ ）
A.“嫦娥一号”由⑤到⑥需加速、由⑦到⑧需减速
B.发射“嫦娥一号”的速度必须达到第三宇宙速度
C.在绕月圆轨道上,卫星周期与卫星质量有关
D.卫星受月球的引力与它到月球中心距离的平方成反比
E.在绕月圆轨道上,卫星受地球的引力大于受月球的引力
①
②
③
近地变轨
轨道修正
转移轨道
④
⑤
⑥
⑦
⑧
发射
D
3. 2007年10月24日，“嫦娥一号”卫星星箭分离，卫星进入绕
地轨道。在绕地运行时，要经过三次近地变轨：12小时椭圆轨
道①→24小时椭圆轨道②→48小时椭圆轨道③→修正轨道④→
地月转移轨道⑤。11月5日11时，当卫星经过距月球表面高度
为h的A点时，再经三次变轨：12小时椭圆轨道⑥→3.5小时椭圆
轨道⑦→最后进入周期为T的极月圆轨道⑧ ，如图所示。
若月球半径为R，试写出月球表面重力加速度的表达式。
①
②
③
近地变轨
轨道修正
转移轨道
④
⑤
⑥
⑦
⑧
发射
对接问题：宇宙飞船与空间站的对接
空间站实际上就是一个载有人的人造卫星，那么，地球上的人如何到达空间站，空间站上的人又如何返回地面？这些活动都需要通过宇宙飞船来完成，这就存在一个宇宙飞船与空间站对接的问题。　　
思考：能否把宇宙飞船先发射到空间站的同一轨道上，再通过加速去追上空间站实现对接呢？
不行，因为飞船加速后做离心运动会偏离原来的圆轨道而无法与空间站对接。
飞船首先在比空间站低的轨道运行，当运行到适当位置时，再加速运行到一个椭圆轨道。
通过控制轨道使飞船跟空间站恰好同时运行到两轨道的相切点，此时飞船适当减速，便可实现对接，如图示。
空间站
飞船
对接方法：
例：在太空中有两飞行器a、b，它们在绕地球的同一圆形轨道上同向运行，a在前b在后，它都配有能沿运动方向向前或向后喷气的发动机，现要想b 尽快追上a 并完成对接，b应采取的措施是（ ）
A、沿运动方向喷气
B、先沿运动方向喷气，后沿运动反方向喷气
C、沿运动反方向喷气
D、先沿运动反方向喷气，后沿运动方向喷气
B
V
F引
F引=0
F引＜F向
F引＞F向
卫星变轨原理
M
m
速度—内小外大（看轨迹）
万有引力相同